基于結(jié)構(gòu)光照的隨機(jī)散射光學(xué)超衍射極限成像系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于結(jié)構(gòu)光照的隨機(jī)散射光學(xué)超衍射極限成像系統(tǒng)及方法，主要解決現(xiàn)有同類技術(shù)工藝復(fù)雜、成像時(shí)間長(zhǎng)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)難實(shí)現(xiàn)、成像分辨率低的問題。其成像系統(tǒng)包括：光源、擴(kuò)束器、空間光調(diào)制器、λ/4波片、擴(kuò)束透鏡組、擋光板、透鏡、隨機(jī)散射介質(zhì)、會(huì)聚透鏡、和CCD相機(jī)；光源發(fā)射的光束經(jīng)擴(kuò)束器擴(kuò)束后入射到空間光調(diào)制器上，得到0級(jí)光和±1級(jí)光；通過λ/4波片獲得圓偏振光，經(jīng)擴(kuò)束透鏡組擴(kuò)束后到達(dá)擋光板，保留±1級(jí)光；±1級(jí)光經(jīng)透鏡發(fā)生干涉，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光照明觀測(cè)目標(biāo)；照亮的觀測(cè)目標(biāo)進(jìn)入隨機(jī)散射介質(zhì)，發(fā)生強(qiáng)散射，經(jīng)會(huì)聚透鏡入射到CCD相機(jī)。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和成像分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，可用于光學(xué)超分辨率成像。
【專利說明】基于結(jié)構(gòu)光照的隨機(jī)散射光學(xué)超衍射極限成像系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于成像【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種光學(xué)成像系統(tǒng)，可用于光學(xué)超分辨率成 像。

【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)光學(xué)成像的分辨率受衍射極限限制，在可見光范圍內(nèi)難以測(cè)量小于200nm的 距離，因此突破光學(xué)系統(tǒng)衍射極限成像的研究極其迫切。
[0003] 目前，圍繞近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)超衍射極限成像的研究，已取得令人矚目的進(jìn)展。近場(chǎng)超衍 射極限成像方法主要采用納米探針、等離子超級(jí)材料以及負(fù)折射率材料制備的完美透鏡等 對(duì)倏逝波進(jìn)行探測(cè)，其分辨率不受瑞利判據(jù)的限制。但由于納米探針、等離子超級(jí)材料、負(fù) 折射率材料的制備需滿足很苛刻的條件，工藝極其復(fù)雜，且技術(shù)還不夠成熟，導(dǎo)致其掃描探 針易對(duì)樣品造成損傷，且不利于對(duì)活體組織進(jìn)行觀測(cè)。
[0004] 而遠(yuǎn)場(chǎng)超衍射極限成像方法，如受激發(fā)射損耗顯微技術(shù)、隨機(jī)光學(xué)重建顯微技術(shù) 和光敏定位顯微技術(shù)等，它們通過探測(cè)受激熒光分子的熒光信號(hào)分布獲取樣品的空間信 息，可探測(cè)樣品內(nèi)部，目前可達(dá)20?50nm，而極限條件下可達(dá)5. 8nm的分辨率。但由于其達(dá) 到的空間分辨率是以嚴(yán)重犧牲時(shí)間分辨率為代價(jià)的，導(dǎo)致成像過程復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)，難以實(shí)現(xiàn) 實(shí)時(shí)觀測(cè)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述已有技術(shù)的不足，提出一種基于結(jié)構(gòu)光照的隨機(jī)散射 光學(xué)超衍射極限成像系統(tǒng)及方法，以精簡(jiǎn)材料制備工藝、簡(jiǎn)化成像過程、提高成像分辨率。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0007] 一 .技術(shù)思路是：采用結(jié)構(gòu)光作為成像光源，照明觀測(cè)目標(biāo)，借助隨機(jī)散射介質(zhì)得 到圖像，并將其傳輸至主控計(jì)算機(jī)中，通過計(jì)算成像方法重建出最終的觀測(cè)目標(biāo)，獲得高質(zhì) 量的超分辨率圖像。
[0008] 二.基于結(jié)構(gòu)光照的隨機(jī)散射光學(xué)超衍射極限成像系統(tǒng)，包括光學(xué)子裝置和超衍 射極限成像裝置，其特征在于：
[0009] 所述光學(xué)子裝置，包括光源、兩個(gè)孔徑光闌、擴(kuò)束器、空間光調(diào)制器、四個(gè)透鏡、 λ /4波片、三個(gè)反射鏡和擋光板；光源發(fā)射的光束依次經(jīng)過第一孔徑光闌、擴(kuò)束器、第一反 射鏡后照明到空間光調(diào)制器上，產(chǎn)生〇級(jí)光、+1級(jí)光和-1級(jí)光，這三級(jí)光通過第一透鏡被 平行分開，經(jīng)λ/4波片得到圓偏振光，再依次通過第二反射鏡和第二透鏡、第二光闌和第 三透鏡進(jìn)行擴(kuò)束，并借助擋光板擋掉中間的〇級(jí)光，保留+1級(jí)光和-1級(jí)光，再經(jīng)第三反射 鏡后通過第四透鏡，使得+1級(jí)光和-1級(jí)光在焦平面上發(fā)生干涉，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光以照亮觀測(cè)目 標(biāo)；
[0010] 所述超衍射極限成像裝置，包括三個(gè)透鏡、第三孔徑光闌、隨機(jī)散射介質(zhì)、C⑶相 機(jī)；經(jīng)照亮的觀測(cè)目標(biāo)依次經(jīng)過第五透鏡、第三孔徑光闌和第六透鏡減小整個(gè)光束的直徑， 使光束在隨機(jī)散射介質(zhì)中發(fā)生強(qiáng)散射，再經(jīng)第七透鏡進(jìn)行光束能量會(huì)聚后，由CCD相機(jī)接 收?qǐng)D像。
[0011] 三.基于結(jié)構(gòu)光照的隨機(jī)散射光學(xué)超衍射極限成像方法，包括如下步驟：
[0012] (1)對(duì)CCD相機(jī)采集到的原始圖像進(jìn)行圖像亮度均一化處理，以消除由光源波動(dòng) 對(duì)圖像亮度的影響；
[0013] (2)對(duì)圖像亮度均一化處理后的圖像進(jìn)行傅立葉變換操作，獲得對(duì)應(yīng)的頻譜；
[0014] (3)通過控制空間光調(diào)制器在0°、45°、90°和135°每個(gè)方向上輸入三個(gè)不同 的相位值，組成3X3線性方程組并求解，以分離出每個(gè)方向上的0級(jí)、+1級(jí)和-1級(jí)頻譜成 像息；
[0015] (4)由四個(gè)方向上分離出的0級(jí)、+1級(jí)和-1級(jí)頻譜成像信息的重疊區(qū)域，得到四 組結(jié)構(gòu)光照明的頻率分量kpielO。，45°，90°，135° };
[0016] (5)利用余弦函數(shù)的傅里葉變換特性，將得到的四組結(jié)構(gòu)光照明的頻率分量匕進(jìn) 行頻率拼接，得到擴(kuò)展頻譜，其中1?為原始頻率分量；
[0017] (6)利用角譜理論在頻率域內(nèi)獲取隨機(jī)散射介質(zhì)的傳輸矩陣數(shù)據(jù)立方體Em ;
[0018] (7)根據(jù)結(jié)構(gòu)光照明擴(kuò)展的頻譜'±1^和隨機(jī)散射介質(zhì)的傳輸矩陣數(shù)據(jù)立方體 Επ，通過成像圖像重建ASCIRA算法重建出觀測(cè)目標(biāo)圖像。
[0019] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0020] 1)本發(fā)明依據(jù)超衍射極限成像和結(jié)構(gòu)光照明成像的原理，設(shè)計(jì)了基于結(jié)構(gòu)光照的 隨機(jī)散射光學(xué)超衍射極限成像系統(tǒng)，與現(xiàn)有光學(xué)系統(tǒng)相比，材料制備工藝簡(jiǎn)單，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)易 實(shí)現(xiàn)，成像分辨率明顯提高。
[0021] 2)本發(fā)明利用角譜理論，設(shè)計(jì)基于結(jié)構(gòu)光照的隨機(jī)散射光學(xué)超衍射極限成像方 法，與現(xiàn)有成像方法相比，既濾掉了雜散光又保留了觀測(cè)目標(biāo)的高頻信息，且有效的縮減了 成像時(shí)間，提高了成像分辨率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 圖1是本發(fā)明基于結(jié)構(gòu)光照的隨機(jī)散射光學(xué)超衍射極限成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；
[0023] 圖2是本發(fā)明基于結(jié)構(gòu)光照的隨機(jī)散射光學(xué)超衍射極限成像方法的實(shí)現(xiàn)流程圖；
[0024] 圖3是本發(fā)明中頻譜成像信息分離的示意圖；
[0025] 圖4是本發(fā)明中頻譜擴(kuò)展的示意圖；
[0026] 圖5是本發(fā)明中獲取隨機(jī)散射介質(zhì)的傳輸矩陣數(shù)據(jù)立方體示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0027] 以下將結(jié)合附圖，清楚、完整地描述本發(fā)明結(jié)構(gòu)光照明下的隨機(jī)散射光學(xué)超衍射 極限成像系統(tǒng)的設(shè)置，以及成像方法的實(shí)現(xiàn)步驟。
[0028] 參見圖1，本發(fā)明的成像系統(tǒng)，包括光學(xué)子裝置和超衍射極限成像裝置兩部分。其 中：
[0029] 所述光學(xué)子裝置，包括光源1、兩個(gè)孔徑光闌、擴(kuò)束器3、空間光調(diào)制器4、四個(gè)透 鏡、λ/4波片6、三個(gè)反射鏡和擋光板12。其中，光源1采用可見光波段的激光器，激光器 發(fā)射的光束經(jīng)第一孔徑光闌2濾除光束中的雜散光，經(jīng)擴(kuò)束器3擴(kuò)束，通過第一反射鏡7控 制光束在空間光調(diào)制器4上的入射方向，其分別為0°、45°、90°和135°四個(gè)方向，即在 每個(gè)方向上分別產(chǎn)生〇級(jí)光、+1級(jí)光和-1級(jí)光；這三級(jí)光被第一透鏡5平行分開，經(jīng)λ /4 波片6得到具有更好偏振特性的圓偏振光；該圓偏振光通過第二反射鏡8改變光路方向，經(jīng) 由第二透鏡9、第二光闌10和第三透鏡11組成的擴(kuò)束透鏡組進(jìn)行擴(kuò)束，再經(jīng)擋光板12擋 掉中間的〇級(jí)光，保留+1級(jí)光和-1級(jí)光；借助第三反射鏡13改變光路中保留的+1級(jí)光 和-1級(jí)光的傳播方向，再通過第四透鏡14,在其焦平面上發(fā)生干涉，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光以照亮觀 測(cè)目標(biāo)。
[0030] 所述超衍射極限成像裝置，包括三個(gè)透鏡、第三孔徑光闌17、隨機(jī)散射介質(zhì)19、 C⑶相機(jī)21，其中隨機(jī)散射介質(zhì)19的厚度選為10?20 μ m，以減小其對(duì)光的吸收并增強(qiáng)其 對(duì)光的散射。經(jīng)照亮的觀測(cè)目標(biāo)經(jīng)由第五透鏡16、第三孔徑光闌17和第六透鏡18組成的 逆向擴(kuò)束透鏡組，以濾除光路中的雜散光并減小整個(gè)光束的直徑，然后使光束通過隨機(jī)散 射介質(zhì)19,并在其內(nèi)部發(fā)生強(qiáng)散射，經(jīng)強(qiáng)散射后的輸出光束經(jīng)第七透鏡20進(jìn)行能量會(huì)聚， 最后由C⑶相機(jī)21接收?qǐng)D像。
[0031] 參見圖2,本發(fā)明的成像方法，其實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0032] 步驟1，采集原始圖像并進(jìn)行圖像亮度均一化處理。
[0033] la)通過C⑶相機(jī)采集原始圖像T (r)，并上傳到主控計(jì)算機(jī)；
[0034] lb)主控計(jì)算機(jī)根據(jù)圖像亮度均一化原理，用原始圖像的模值|T(r) |除以原始圖 像τω，得到亮度均一化的圖像D(〃）=

【權(quán)利要求】
1. 一種基于結(jié)構(gòu)光照的隨機(jī)散射光學(xué)超衍射極限成像系統(tǒng)，包括光學(xué)子裝置和超衍射 極限成像裝置，其特征在于： 所述光學(xué)子裝置，包括光源（1)、兩個(gè)孔徑光闌（2,10)、擴(kuò)束器（3)、空間光調(diào)制器（4)、 四個(gè)透鏡（5,9,11，14)、λ/4波片（6)、三個(gè)反射鏡（7,8,13)和擋光板（12);光源⑴發(fā) 射的光束依次經(jīng)過第一孔徑光闌（2)、擴(kuò)束器（3)、第一反射鏡（7)后照明到空間光調(diào)制器 ⑷上，產(chǎn)生0級(jí)光、+1級(jí)光和-1級(jí)光，這三級(jí)光通過第一透鏡（5)被平行分開，經(jīng)λ/4波 片（6)得到圓偏振光，再依次通過第二反射鏡（8)和第二透鏡（9)、第二光闌（10)和第三透 鏡（11)進(jìn)行擴(kuò)束，并借助擋光板（12)擋掉中間的0級(jí)光，保留+1級(jí)光和-1級(jí)光，再經(jīng)第 三反射鏡（13)后通過第四透鏡（14)，使得+1級(jí)光和-1級(jí)光在焦平面上發(fā)生干涉，產(chǎn)生結(jié) 構(gòu)光以照亮成像目標(biāo)； 所述超衍射極限成像裝置，包括三個(gè)透鏡（16，18,20)、第三孔徑光闌（17)、隨機(jī)散射 介質(zhì)（19)、C⑶相機(jī)（21);經(jīng)照亮的成像目標(biāo)依次經(jīng)過第五透鏡（16)、第三孔徑光闌（17) 和第六透鏡（18)減小整個(gè)光束的直徑，使光束在隨機(jī)散射介質(zhì)（19)中發(fā)生強(qiáng)散射，再經(jīng)第 七透鏡（20)進(jìn)行光束能量會(huì)聚后，由CCD相機(jī)（21)接收?qǐng)D像。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的成像系統(tǒng)，其特征在于，空間光調(diào)制器（4)上產(chǎn)生的0級(jí)光、 +1級(jí)光和-1級(jí)，是分別在0°、45°、90°和135°的方向上產(chǎn)生。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的成像系統(tǒng)，其特征在于，隨機(jī)散射介質(zhì)（19)的厚度為10? 20 μ m，以減小對(duì)光的吸收，增強(qiáng)對(duì)光的散射。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的成像系統(tǒng)，其特征在于，所述光源（1)為可見光波段的激光 器。
5. -種基于結(jié)構(gòu)光照的隨機(jī)散射光學(xué)超衍射極限成像方法，包括以下步驟： (1) 對(duì)CCD相機(jī)（21)采集到的原始圖像進(jìn)行圖像亮度均一化處理，以消除由光源波動(dòng) 對(duì)圖像亮度的影響； (2) 對(duì)圖像亮度均一化處理后的圖像進(jìn)行傅立葉變換操作，獲得對(duì)應(yīng)的頻譜； (3) 通過控制空間光調(diào)制器在0°、45°、90°和135°每個(gè)方向上輸入三個(gè)不同的相 位值，組成3X3線性方程組并求解，以分離出每個(gè)方向上的0級(jí)、+1級(jí)和-1級(jí)頻譜成像信 息； (4) 由四個(gè)方向上分離出的0級(jí)、+1級(jí)和-1級(jí)頻譜成像信息的重疊區(qū)域，得到四組結(jié) 構(gòu)光照明的頻率分量，45°，90°，135° }; (5) 利用余弦函數(shù)的傅里葉變換特性，將得到的四組結(jié)構(gòu)光照明的頻率分量&進(jìn)行頻 率拼接，得到擴(kuò)展頻譜'±1^，其中1?為原始頻率分量； (6) 利用角譜理論在頻率域內(nèi)獲取隨機(jī)散射介質(zhì)的傳輸矩陣數(shù)據(jù)立方體Em ; (7) 根據(jù)結(jié)構(gòu)光照明擴(kuò)展的頻譜'±1^和隨機(jī)散射介質(zhì)的傳輸矩陣數(shù)據(jù)立方體Em，通 過成像圖像重建ASCIRA算法重建出觀測(cè)目標(biāo)圖像。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于結(jié)構(gòu)光照的隨機(jī)散射光學(xué)超衍射極限成像方法，其中步 驟（3)所述的通過控制空間光調(diào)制器在0°、45°、90°和135°每個(gè)方向上輸入三個(gè)不同 的相位值，組成3 X 3線性方程組并求解，按如下步驟進(jìn)行： 6a)通過主控計(jì)算機(jī)控制空間光調(diào)制器在0°、45°、90°和135°每個(gè)方向上任意輸 入三個(gè)不同的相位值Φ」，j e {1，2, 3}; 6b)將三個(gè)不同的相位值代入結(jié)構(gòu)光照明強(qiáng)度表達(dá)式，得到結(jié)構(gòu)光在0°、45°、 90°和135°每個(gè)方向上光強(qiáng)度表達(dá)式如下： I (r) = I0[l+cos(ki · τ) + Φ?·] <1> 其中，L為光源的光強(qiáng)度，h為不同方向結(jié)構(gòu)光照明的頻率分量， ie{〇°，45°，90° ,135° }，r 為空間坐標(biāo)； 6c)根據(jù)結(jié)構(gòu)光在0°、45°、90°和135°每個(gè)方向上光強(qiáng)度I(r)和整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的 點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)PSF(r)，得到整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)所成圖像D(r)的數(shù)學(xué)表達(dá)式： D (r) = [〇(/-) · / (r)] ? PSF (r) <2> 其中，〇(r)代表觀測(cè)目標(biāo)圖像，D(r)代表整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)所成的圖像，PSF(r)表示整個(gè) 光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)； 6d)對(duì)公式〈2>進(jìn)行傅立葉變換，得到整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)所成圖像在頻率域內(nèi)的數(shù)學(xué)表達(dá) 式：
其中，D(k)為頻率域內(nèi)整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)所成的圖像，OTF(k)表示整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)傳 遞函數(shù)，s(kQ)、s(vh)、s(νι〇分別為0級(jí)、+1級(jí)、-1級(jí)頻譜成像信息； 6e)通過控制空間光調(diào)制器輸入的三個(gè)不同的相位Φ」，j e {1，2, 3}，代入公式〈3>， 組成3X3線性方程組并求解，以分離出每個(gè)方向上的0級(jí)、+1級(jí)和-1級(jí)頻譜成像信息，即 S (k0)、S (ko+ki)、S (ko-k)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于結(jié)構(gòu)光照的隨機(jī)散射光學(xué)超衍射極限成像方法，其中步 驟（6)所述的利用角譜理論在頻率域內(nèi)獲取隨機(jī)散射介質(zhì)的傳輸矩陣數(shù)據(jù)立方體E m，按如 下步驟進(jìn)行： 7a)根據(jù)角譜理論可知，得到經(jīng)過觀測(cè)目標(biāo)的入射平面波場(chǎng)為：
其中，kx和ky分別代表光波在X軸和y軸方向的波矢量分量，且與入射光和光軸之間 的夾角 θχ、9y 有關(guān)，即 kx/2：n =sin0x/X，ky/2：n =8;[110^入，六。〇^，1^)稱為角譜，表 示各平面波分量的復(fù)振幅； 7b)根據(jù)公式〈4>中入射光與光軸之間的夾角θ χ、Θ y，將不同角度（θ χ，Θ y)的激光 光束依次照射于隨機(jī)散射介質(zhì)的同一位置，分別記錄各角度入射光照射時(shí)，像面上產(chǎn)生的 散斑場(chǎng)Em(x, y, kx, ky)即為隨機(jī)散射介質(zhì)傳輸矩陣； 7C)將不同角度入射光照射時(shí)，像面上產(chǎn)生的不同的散斑場(chǎng)Em(X，y，k x，ky)疊加在一起 就構(gòu)成了隨機(jī)介質(zhì)傳輸矩陣數(shù)據(jù)立方體Em。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于結(jié)構(gòu)光照的隨機(jī)散射光學(xué)超衍射極限成像方法，其 中步驟（7)所述的根據(jù)結(jié)構(gòu)光照明擴(kuò)展的頻譜'±1^和隨機(jī)散射介質(zhì)的傳輸矩陣數(shù)據(jù)立方 體E m，通過成像圖像重建ASCIRA算法重建出觀測(cè)目標(biāo)圖像，按如下步驟進(jìn)行： 8a)將結(jié)構(gòu)光照明擴(kuò)展的頻譜'±1^進(jìn)行傅里葉逆變換，得到空間域內(nèi)的散斑場(chǎng) Es(x，y)，該散斑場(chǎng)中包含有更多的觀測(cè)目標(biāo)高頻信息； 8b)將空域內(nèi)的散斑場(chǎng)Es(x，y)，用角譜和隨機(jī)散射介質(zhì)傳輸矩陣表示為：
其中，A。％，ky)為角譜，Em(x, y, kx, ky)為隨機(jī)散射介質(zhì)傳輸矩陣； 8c)將步驟8a)得到的空域內(nèi)的散斑％Es(x，y)和步驟7b)得到的隨機(jī)散射介質(zhì)傳輸 矩陣Em (X，y，kx，ky)，代入公式〈5>，進(jìn)行反解，獲得角譜A。(kx，k y); 8d)將得到的角譜nig代入入射平面波場(chǎng)式
出經(jīng)過觀測(cè)目標(biāo)的入射平面波場(chǎng)Ej^y); 8e)對(duì)經(jīng)過觀測(cè)目標(biāo)的入射平面波場(chǎng)Ejxj)取絕對(duì)值后平方，獲得最終重建的觀測(cè)目 標(biāo)圖像T : T = |E0(x, y) |2〇
【文檔編號(hào)】G02B27/42GK104102017SQ201410320944
【公開日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2014年7月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月7日
【發(fā)明者】邵曉鵬, 吳騰飛, 代偉佳, 石慧明, 龔昌妹, 駱秋樺, 劉飛, 杜娟, 彭立根, 李慧娟 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)